低噪聲放大器（LNA）在多種接收機結(jié)構(gòu)中都作為接收機第一級有源器件，承擔接收機的低噪聲下“放大”功能，在抑制噪聲干擾的同時提高了輸入信號的功率，并將信號傳遞給下一級的混頻器。

LNA的輸入端直接與濾波器或天線相連，因此要和前級在一定頻帶內(nèi)形成良好的阻抗匹配，以降低信號反射從而提高信號傳輸，一般端口的阻抗設(shè)置為50歐姆。

目前寬帶匹配技術(shù)主要有負反饋、濾波結(jié)構(gòu)、分布式、共柵極結(jié)構(gòu)等。本文將粗略介紹這幾類寬帶匹配技術(shù)，并分析其優(yōu)缺點，以便為之后的電路設(shè)計提供部分參考。

負反饋

在共源極放大器的柵漏極間設(shè)計反饋電阻，利用負反饋環(huán)路實現(xiàn)輸入阻抗的寬帶匹配。其能在很寬的頻帶實現(xiàn)平穩(wěn)的增益和輸入匹配。因此該技術(shù)被廣泛用于寬帶LNA，在超寬帶（UWB）等LNA有不少的設(shè)計。其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示

圖1 典型的電阻并聯(lián)負反饋結(jié)構(gòu)

忽略了寄生電阻和柵漏電容的影響，其輸入阻抗

電阻負反饋的結(jié)構(gòu)簡單，不需電感器件，芯片的占片面積小，具有低成本優(yōu)勢，因此也受到了廣泛研究和應(yīng)用。設(shè)定合適的反饋電阻Rf、漏極負載Rd和輸入端的跨導(dǎo)，便能實現(xiàn)50Ω寬帶匹配。但是此類結(jié)構(gòu)也有自己缺點，第一，匹配帶寬取決于反饋電阻的大小，為了獲得寬帶，則勢必減小反饋電阻，但反饋電阻減小增益也將降低，則對后續(xù)電路的噪聲抑制度降低。第二，該結(jié)構(gòu)中形成了反饋環(huán)路，一定程度惡化了穩(wěn)定性。第三，反饋電阻引入的熱噪聲可能會超過負反饋對原噪聲的抑制效果，LNA電路噪聲性能由此變差。

濾波結(jié)構(gòu)

濾波網(wǎng)絡(luò)匹配則是利用濾波器原理實現(xiàn)的可控寬頻帶匹配。下圖2顯示了一款利用濾波器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)寬帶輸入匹配的LNA

圖2 利用濾波網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)寬帶匹配的共源極放大器結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)可視作共源極放大器前置了一個濾波器網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置前置的濾波網(wǎng)絡(luò)使其與共源極放大器輸入端的虛部網(wǎng)絡(luò)正好構(gòu)成切比雪夫帶通濾波器，在所需要的頻帶內(nèi)實現(xiàn)總體虛部為零。輸入阻抗的實部則由共源極放大器提供。根據(jù)要求的帶寬，可設(shè)置n階濾波網(wǎng)絡(luò)，理論上濾波網(wǎng)絡(luò)的階數(shù)越高，能實現(xiàn)的匹配帶寬越寬。

但是濾波網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的寬帶匹配有著巨大劣勢。首先，多階濾波勢必要用到多個電感電容，因此芯片面積將變得很大，成本高昂也不利于小型化。其次，若處在較高頻率，CMOS中電感的Q值往往較低，會產(chǎn)生較大的寄生效應(yīng)。

分布式

分布式放大結(jié)構(gòu)在寬帶匹配設(shè)計中也有著廣泛的應(yīng)用，可以實現(xiàn)很寬的輸入匹配和增益。早先的分布式放大結(jié)構(gòu)中，在多個級聯(lián)CS級放大器間采用傳輸線形式形成看過去的輸入特性阻抗為50歐姆。隨著CMOS技術(shù)的不斷發(fā)展，如今大多數(shù)已經(jīng)利用電感和CS的MOS管中寄生電容形成偽傳輸線，從而達到寬帶內(nèi)的匹配。其典型結(jié)構(gòu)如圖3所示

圖3 采用分布式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)寬帶輸入匹配的LNA

該結(jié)構(gòu)含有多個CS級聯(lián)，在實現(xiàn)寬帶匹配時，也能實現(xiàn)多級形成的高增益帶寬。與濾波網(wǎng)絡(luò)相同，從理論上，隨著級聯(lián)級數(shù)增加，其輸入帶寬和增益帶寬能持續(xù)增加下去。但是與此相同的是，分布式放大結(jié)構(gòu)依然要使用大量的電感，占用了大量芯片面積，成本高昂，其次CMOS工藝下電感的低Q值使之在高頻段引入大量噪聲，以及電感寄生效應(yīng)產(chǎn)生的電阻所帶來的插損，限制了其增益。除此之外，分布式放大結(jié)構(gòu)的多個MOS管處于飽和區(qū)，使得該結(jié)構(gòu)的LNA功耗往往非常大。雖然其帶寬和增益可觀，但往往不適用于低成本，高頻率，便攜式的應(yīng)用中。

共柵極結(jié)構(gòu)

共柵極結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的寬帶輸入匹配。相比于在輸入端引入柵漏電容而降低帶寬的共源極結(jié)構(gòu)，共柵極甚至不需要附加電感電阻器件就能實現(xiàn)匹配。在多種匹配技術(shù)中易于實現(xiàn)且效果良好，因此它被廣泛的應(yīng)用。下圖4所示便是典型的共柵極結(jié)構(gòu)

圖4 典型的共柵極結(jié)構(gòu)

輸入信號從MOS管源極流入，則從輸入端看過去的阻抗為

由上式可知，僅通過調(diào)節(jié)MOS管尺寸或者偏置電壓，令跨導(dǎo)倒數(shù)為50歐姆，而MOS管的跨導(dǎo)隨頻率變化較小，因此便能實現(xiàn)寬帶匹配[6]。該結(jié)構(gòu)芯片面積相較于前幾種技術(shù)大大縮小，也易于實現(xiàn)。但該結(jié)構(gòu)也有缺陷，共柵極的噪聲系數(shù)要比共源極大，此外為了實現(xiàn)阻抗匹配，其跨導(dǎo)被限定在20mS，因此單個共柵極的增益做不到很大。

小結(jié)

在設(shè)計LNA的匹配電路時，首先要依據(jù)整個放大電路所關(guān)注的指標（諸如面積、噪聲、帶寬等）來判斷取舍所采用的匹配技術(shù)。比如要求占片面積小，則分布式或濾波結(jié)構(gòu)自然要排除在外。在要求較低噪聲時，共柵結(jié)構(gòu)便不具有優(yōu)勢。之后根據(jù)要達到的帶寬，對擬用的輸入網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)或者階數(shù)不斷調(diào)整，從而達到設(shè)計目標。